유기태양전지는 가볍고 유연하며 대면적 제작이 가능해 차세대 태양전지 기술로 주목받고 있다. 특히 최근에는 두 가지 이상의 물질을 혼합하는 삼원계(ternary) 구조를 통해 효율을 높이려는 연구가 활발하다. 그러나 기존 연구는 전자 수용체 물질에 집중된 경우가 많았고, 도너 물질을 보조 성분으로 활용하는 전략에 대한 연구는 상대적으로 부족했다.
연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 기존 고분자 도너 PM6와 구조적으로 유사하면서 공액 구조를 확장한 새로운 고분자 DTBDT-SEH-C8을 설계했다. 이 물질을 소량 첨가하면 에너지 준위가 계단식으로 정렬돼 전하 이동이 더욱 효율적으로 이뤄지도록 하는 것이 특징이다.
실험 결과 PM6:Y6 기반 유기태양전지에 약 1%의 DTBDT-SEH-C8을 첨가했을 때 전하 분리와 전하 수집 효율이 동시에 향상되는 것으로 나타났다. 연구팀은 다양한 분석을 통해 해당 고분자 물질이 도너와 억셉터 사이에 위치해 전하 이동 경로를 연결하는 역할을 한다는 사실을 확인했다.
특히 나노 스케일 전류 분포를 측정하는 C-AFM 분석에서는 DTBDT-SEH-C8이 도너와 억셉터 사이에 '인터스티셜 연결(interstitial connection)' 구조를 형성해 전하 이동 경로를 효과적으로 개선하는 것으로 나타났다.
이번 연구는 단순히 새로운 소재를 개발하는 데 그치지 않고, 게스트 도너가 삼원계 유기태양전지에서 전하 이동을 개선하는 물리적 메커니즘을 규명했다는 점에서 의미가 있다.
연구팀은 "구조적으로 호환되는 고분자 게스트 도너를 소량 도입하면 전하 이동 경로를 효과적으로 연결할 수 있다"며 "이번 연구는 삼원계 유기태양전지에서 새로운 소재 설계 전략을 제시한 것"이라고 설명했다.
김기환 교수는 "이번 연구를 통해 삼원계 고분자의 안정성과 성능을 동시에 크게 향상시킬 수 있었다"며 "차세대 태양전지로 주목받는 유기태양전지의 성능 개선에 기여할 것으로 기대된다"고 말했다.
